北京地震台gPhone重力仪对尼泊尔M8.1强震所激发地球自由振荡的探测

周江林　沈　萍

1　中国地震局地球物理研究所,北京市民族大学南路5号，100081 2　北京白家疃地球科学国家野外科学观测研究站，北京市白家疃，100095



北京地震台gPhone重力仪对尼泊尔M8.1强震所激发地球自由振荡的探测

周江林1，2沈萍1

1中国地震局地球物理研究所,北京市民族大学南路5号，100081 2北京白家疃地球科学国家野外科学观测研究站，北京市白家疃，100095

利用北京地震台gPhone重力仪观测资料，采用功率谱密度估计方法，检测2015-04-25尼泊尔M8.1地震激发的0S0～0S60之间的地球球型自由振荡，并与地球初步参考模型(PREM)的理论自由振荡周期进行对比。结果表明，0S2～0S56基频自由振荡的实测周期值与PREM 模型的理论值基本一致，证实了gPhone重力仪能有效检测出地球自由振荡信号。

地球自由振荡；gPhone重力仪；功率谱密度；PREM模型；北京地震台

地球自由振荡现象[1-7]的研究与检测主要包括地球自由振荡频率和相应谱峰品质因子两个方面[8]。这些工作通常都是基于地震技术开展，用重力技术检测地球自由振荡的研究较少。gPhone重力仪是目前监测地表垂直形变和重力场变化最精密的仪器之一，具有很宽的动态线性测量范围和极低的噪声水平，能够检测从几s到几a周期尺度的地球重力场信号，具备检测球型地球自由振荡的观测能力。

北京地震台观测山洞位于京郊燕山地震带上，观测室上覆盖层厚度约为25 m，进深约为110 m，采用双层被覆，至仪器安装处有5道密封门，洞温约为12.7 ℃，日气温变化<0.05 ℃,年气温变化<0.5 ℃，湿度约为70%。2007-05洞室内安装gPhone重力仪，观测资料稳定、可靠、连续。2015-04-25尼泊尔发生8.1级大地震，北京地震台gPhone重力仪清晰地记录到了这次地震，为提取地球球型自由振荡信息提供了良好的数据基础。

1　数据处理方法

采用改进的平均周期图法求取随机信号的功率谱密度估计值，并使用快速傅里叶变换算法(FFT)提高运算效率。采用功率谱密度估计的方法分析地球球型自由振荡，其定义为记录到的波形资料的自相关函数Rn的Fourier变换[9]：

(1)

式中，K=0，1，…，N-1。自相关函数Rn可以表示为：

(2)

式中，n=-(N-2)，-(N-1)，…，-1，0，1，…，N-2，N-1，N为所用数据的数目，x为重力数据，SK离散值为功率谱密度值。

为消除数据不能无限长而必须加窗对功率谱密度估计的影响，采用Hanning窗来抑制旁瓣，突出主瓣[9]。

因为大地震激发的地球自由振荡通常能够持续数d的时间，所以选取数据长度为2015-04-25～30共144 h。本文计算重力资料采用分钟值进行分析，故N=8 640。在自由振荡发生的几d内，不考虑地球重力场长期变化的影响。

采用功率谱密度估计值的计算方法，得到北京地震台gPhone重力仪对尼泊尔地震所激发球型振荡观测值，并与PREM理论值进行对比。

2　地球自由振荡的检测

北京地震台gPhone重力仪观测数据对尼泊尔8.1级地震后的功率谱密度估计谱见图1(a)。为将检测到的地球自由振荡信号清楚地分辨并标识出来，依据地球自由振荡信号在频域的分布特点，把功率谱密度估计结果分成0.20～1.80 mHz、1.75～2.95 mHz、2.90～3.90 mHz、3.85～4.85 mHz和4.75～6.55 mHz共5个频段进行分析(图1(b)～(f))。为避免因分段而可能造成的检测信号丢失，使相邻频段保持0.05～0.10 mHz频域的重叠。

图1　北京地震台gPhone重力仪检测到的地球自由振荡信号Fig.1　Distribution of the signals in frequency domain of earth’s free oscillations detected by the gPhone gravimeter at Beijing seismic station

计算结果清晰地检测到了0S0～0S60之间绝大部分的基频振型自由振荡系列。参照PREM模型[10]理论计算值，在各个谱峰对应的频率上标识出相应的基频振型(图1(b)～(f)虚线顶部)，以方便对比观测到的自由振荡和PREM模型的理论自由振荡周期。

图1(b)为0.20～1.80 mHz频段内检测到的0S2～0S10基型振荡。整个频段无较大干扰，各个振型附近噪音很小，信噪比高。0S0振型观测效果不明显，不能清晰检测。虽然0S2与0S3振型相对于其他振型观测效果不明显，但由于背景噪声很微弱，仍能识别出来。由万永革等[11]的工作可知，0S2与0S3振型存在谱线分裂的情况，且地震一般难以激发低频率的低阶振型，所以检测的信号较弱。

图1(c)为1.75～2.95 mHz频段内检测到的0S11～0S20基型振荡。除0S12振型观测不明显外，该频段整体噪声较低，信噪比较高，观测的振型附近无较大干扰，观测效果清晰。除0S11振型观测频率值与理论值稍有偏差外，其他振型观测频率值与理论值吻合非常好。

图1(d)为2.90～3.90 mHz频段内检测到的0S21～0S30振型。除0S24振型观测不明显外，其余振型检测效果良好。0S23、0S25观测频率值与理论值稍有偏差，其他振型吻合非常好。

图1(e)为3.85～4.85 mHz频段内检测到的0S31～0S41振型。该频段的噪声较大，0S32、0S33、0S38、0S39、0S40振型未形成突出的谱峰，观测效果不明显。但0S31、0S34、0S35、0S36、0S37、0S41谱线相对清晰，检测效果很好，观测频率值与理伦值偏差较小。

图1(f)为4.75～6.55 mHz频段内检测到的0S41～0S60振型。0S48、0S49振型观测效果不明显；0S50、0S51、0S52振型谱峰不突出，但仍能分辨出来；0S41～0S47、0S53～0S56振型观测效果良好。

由图1(f)看出，从0S57振型开始，gPhone重力仪已不能检测到地球自由振荡信号，可能是因为高频自由振荡信号的衰减较快。此外，由于地球是一个有限的整体，从特定点源发射的瞬态波最终还是会产生干涉，当传播长度是波长的整数倍时，相互干扰的振型也会出现。因此，在时长几d(72 h)的波谱尾部(大于4×10-3Hz)出现的较为离散的谱峰与地球自由振荡周期有关，谱峰的分离是频率相差不大的振型干涉所致，所以检测级数较大的谐频振型谱峰较为困难[12]。

根据功率谱密度估计结果，统计北京地震台gPhone重力仪检测到的尼泊尔M8.1强震激发的球型基频振荡0S0～0S60频率值，并将结果与PREM模型[10]理论值进行对比(表1)。由表1可以看出，0S4、0S5、0S9、0S10、0S20、0S21、0S28、0S42共8个振型的观测频率与理论值偏差近似为0。0S2、0S3因为是低频的低阶振型，又由于存在谱线分裂的情况，观测频率值与理论值稍有偏差，分别为0.65%与-0.85%。0S0、0S12、0S24、0S32、0S33、0S38、0S39、0S40、0S48、0S49等10个振型不能与周围噪声区分出来，未形成突出的谱峰，检测效果不明显，从0S57振型开始的较高频率的自由振荡信号已不能检测出来。绝大部分振型的观测周期与理论偏差都在0.20%以内，总体平均偏差更是在0.10%以内。这说明本文对0S0～0S60基频自由振荡的检测结果与PREM模型的理论值基本一致，所以北京地震台gPhone重力仪对地球自由振荡的检测是比较成功的。

表1　北京地震台gPhone重力仪球型振荡观测值、PREM模型理论值及其偏差

3　结　语

运用北京地震台gPhone重力仪观测资料，成功对尼泊尔M8.1地震激发的球型自由振荡进行了提取，除0S0、0S12、0S24、0S32、0S33、0S38、0S39、0S40、0S48、0S49等10个振型观测效果不明显外，准确检测到了0S2～0S56基频振型自由振荡。与PREM的理论自由振荡频率进行对比，结果表明，实测的频率值与PREM理论值互相吻合，表明了本文方法的有效性，同时也反映了北京地震台gPhone重力仪优秀的观测质量。

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Foundation support:Special Fund for Basic Scientific Research of Central Public Research Institutes, No.DQJB14B08.

About the first author:ZHOU Jianglin,senior engineer,majors in earthquake monitoring and prediction,E-mail:zhou.jiang.lin@163.com.

Detecting the Earth Free Oscillations Excited by the Nepal M8.1 Earthquake by Using gPhone Gravimeter at Beijing Seismic Station

ZHOUJianglin1, 2SHENPing1

1Institute of Geophysics, CEA, 5 South-Minzudaxue Road,Beijing 100081,China 2Beijing Baijiatuan Earth Science State Geophysical Observatory,Baijiatuan, Beijing 100095, China

Using the gPhone gravimeter digital observation data recorded at Beijing seismic station, we detect spherical modes of0S0-0S60of the earth free oscillation stimulated by the M8.1 earthquake that occurred on April 25,2015 in Nepal. In our process, the method of power spectral density(PSD) is used．In comparison with the periods of free oscillations of the PREM model, the observed periods coincide well with the theoretical values.The results verify that gPhone gravimeter can detect the earth’s free oscillation.

the earth’s free oscillation;gPhone gravimeter;power spectral density;preliminary reference earth model (PREM); Beijing seismic station

2015-09-08

周江林，高级工程师，主要从事地震监测预报研究，E-mail:zhou.jiang.lin@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.017

1671-5942(2016)09-0829-04

P315

A

项目来源：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(DQJB14B08)。